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1、第4节 蛋白质工程的原理和应用01 蛋白质工程崛起的缘由目录/CONTENTS用细菌用细菌“画画”的画的画【从社会中来】这些细菌能够发出荧光，是因为它们体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？通过蛋白质工程 来实现的蛋白质工程 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。基础：操作手段及对象：结果：目的：困
2、难：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系改造或合成基因改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质获得满足人类生产和生活需求的蛋白质蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂，难度很大的工程。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是涉及多学科的综合科技工程。01 蛋白质工程崛起的缘由1.基因工程的实质及不足实质：基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者可以产生它原本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。不足：基因工程原则上只能生产自然界中已存在（天然）的蛋白质。基因重组2.天然蛋白质的不足 天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的，它们的结构和功能
3、符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。3.实例：提高玉米赖氨酸含量赖氨酸合成调控达到一定浓度两种酶的活性352位的苏氨酸变成异亮氨酸二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺变成异亮氨酸赖氨酸含量抑制提高提高限制提高提高5倍提高2倍2001年年，国国际际人人类类蛋蛋白白质质组组组组织织宣宣布布成成立立。2003年年，该该组组织织正正式式提提出出启启动动两两项项重重大大国国际际合合作作项项目目：一一项项是是由由中中国国科科学学家家牵牵头头执执行行的的“人人类类肝肝脏脏蛋蛋白白质质组组计计划划”；另另一一项项是是由由美美国国科科学学家家牵牵头头执执行行的的“人人类
4、类血血浆浆蛋蛋白白质质组组计计划划”，由由此此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。【旁栏思考】你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？1.蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计改造。2.改造蛋白质的方法：改造或合成基因3.天然蛋白质合成过程：按照中心法则进行基因表达形成具有特定氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能转录、翻译4.蛋白质工程的基本思路 从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸
5、序列找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因获得所需要的蛋白质。逆中心法则，与天然蛋白质合成的过程相反【问题探究】下图为蛋白质工程操作的基本思路，请据图回答下列问题：（1）代表蛋白质工程操作思路的过程是 ；代表中心法则内容的是 。（填写数字）（2）蛋白质工程的目的是根据人们对蛋白质功能的特定需求，通过 实现。对蛋白质的结构进行设计改造改造或合成基因5.基因工程和蛋白质工程的比较（1）蛋白质工程需直接改造 ，而不直接改造 。原因：任何一种天然蛋白质都是由 编码的，改造了 即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白质也是无法遗传的。原因：
6、对 进行改造比对蛋白质直接改造更容易操作，难度要小得多。基因蛋白质基因基因基因（2）基因工程和蛋白质工程的区别通过基因判断：若基因的编码蛋白序列未经改造，则为 工程，反之，则为 工程。通过蛋白质判断：若生产出的蛋白质是天然蛋白质，则为 工程，反之，则为 工程。（3）基因工程和蛋白质工程的联系：两种工程都是在 水平上对 进行操作，目的都是合成相应的蛋白质，蛋白质工程是以 工程为基础的。基因蛋白质基因蛋白质分子基因基因蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程。【思考讨论】蛋白质工程基本思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧
7、核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。查密码子表GCU(或C或A或G)UGG AAA(或G)GAA(或G）UUU(或C)mRNA序列 脱氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGG AAA(或G)GAA（或G）TTT(或C)CGA(或G或T或C)ACC TTT(或C)CTT（或C）AAA(或G)-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-氨基酸序列1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。查密码子表得知：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。【思考讨论】蛋白质工程基本
8、思路的应用某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸苯丙氨酸色氨酸谷氨酸赖氨酸2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。1.医药工业方面实例1：研发速效胰岛素类似物天然胰岛素易形成二聚体或六聚体预期结构改造B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置新胰岛素基因转录mRNA折叠预期功能行使功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第2029位氨基酸组成推测序列翻译多肽链有效抑制胰岛素的聚合实例2.延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存
9、预期结构改造一个半胱氨酸变成丝氨酸新干扰素基因转录mRNA折叠预期功能行使功能延长保存时间设计结构氨基酸替换推测序列翻译多肽链在-70下可以保存半年2.其他工业方面的应用广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。3.农业方面的应用4.面临的困难：蛋白质工程是一项难度很大的工程。主要原因：蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。由计算机建立的血红蛋白三维结构模型